CN1330268A - 电容类型的湿度传感器及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种电容类型的湿度传感器,其具有能够精确地检测含水量的能力,这种传感器包括有一个具有电绝缘壁的传感器机壳,一对放置在所述传感器机壳上的电极,和一电路单元,电绝缘壁的外表面面对要检测其含水量的空间,在电绝缘壁的内表面,至少形成一个电极,这些电极之间形成的电场被用作湿度检测区域,这个电路单元包括一个电容检测电路,用于检测这些电极之间的电容值,该电容值随着湿度检测区域内的含水量不同而变化,还有一个输出电路,用于根据电容检测电路检测到的电容值提供一个对应于含水量的电信号。
Description
发明领域
本发明涉及一种具有精确地检测含水量能力的电容类型的湿度传感器,以及一种生产这种传感器的方法。
背景技术
人们都知道电容类型的湿度传感器是一种传统的湿度传感器,根据水是一种极化(电介质)材料的特性,其能够通过一对电极之间电容的变化来检测水的含量。
例如,可以将这种湿度传感器做在垃圾处理设备中,用于检测垃圾中的含水量。也就是说,如图21A和21B所示,该湿度传感器包括一个电绝缘板2P,将这个电绝缘板2P安装在垃圾处理设备的垃圾容器100P的一个开口上,一对电极30P、35P平行地安装在电绝缘板上,有一个电容检测电路40P,用于检测这两个电极之间的电容值(Cx),还有一个输出电路42P,用于根据电容检测电路的输出,提供一个对应于含水量的电信号。
在这个湿度传感器中,含水量(M)用公式(1)表示:
M=V/(S*d)…………(1)
其中,“V”是水的体积,“S”是电极的面积,“d”是电极之间的距离。因此,“S*d”给出了湿度检测区域的体积。含水量(M)与电容(Cx)之间的关系显示在图22中。这一关系也可以用下面的公式(2)表示:Cx=[ε1’(水)*M+ε2’(其它)*(1-M)]×ε’0*S/d…(2)
其中(ε1’)是水的介电常数(=80),(ε2’)是除水以外的其它材料的相对介电常数。例如,当除水以外的材料是木头的时候,相对介电常数(ε2’)是2。当除水以外的材料是空气的时候,相对介电常数(ε2’)是1。这样,电容(Cx)就能够由检测区域内的含水量来确定。另外,电容值(Cx)还取决于电极的尺寸大小。
然而,按照下面的观点,仍然有足够的空间来改善传统的湿度传感器。换句话说,既然这些电极要伸向垃圾容器的内部,那么电极之间的空间就会很容易地填满垃圾。在这种情况下,电容检测电路只会检测卡在电极之间的垃圾的含水量。所以,为了精确地检测垃圾容器中垃圾含水量的变化,就必须有一个清洁机器,频繁地清除卡在电极之间的垃圾。这样做会导致生产成本的增加。
此外,由于在垃圾容器中要经常搅拌垃圾,促进垃圾分解,就会发生这样的问题,垃圾与电极的碰撞会意外的损坏湿度传感器。除此以外,用来支撑电极的电绝缘板需要足够的机械强度,用来承受搅拌施加的作用力。这也会导致生产成本的进一步增加。
发明内容
因此,本发明的一个主要目的是提供一种电容类型的湿度传感器,它能够以实时方式精确地检测物体中的含水量,而不需要使用上述的清洁机器来清洁电极。
也就是说,这种湿度传感器包括一个传感器机壳,其有一个电绝缘壁,一对放置在传感器机壳上的电极,以及一个电路单元;电绝缘壁的外表面面对要检测其含水量的空间,在电绝缘壁的内表面上,至少形成一个电极,在电极之间形成的电场被定义为湿度检测区域;该电路单元包括一个电容检测电路,用于检测电极之间的电容值,该电容值随着湿度检测区域内含水量的变化而变化;还包括一个输出电路,用于根据电容检测电路检测到的电容值,提供一个对应于含水量的电信号。
对于本发明的湿度传感器,由于在电极之间形成的电场穿透电绝缘壁在传感器机壳的外面形成湿度检测区域,就不需要让电极伸进要检测其含水量的空间。特别是当湿度传感器被用于垃圾处理设备的时候,有可能解决由于垃圾与电极碰撞而导致湿度传感器被损坏这个问题,从而能够以实时方式精确地检测垃圾中的含水量,同时能够防止生产成本的增加。
在上述的湿度传感器中,其至少一个电极最好是镀在电绝缘壁内表面上的一层金属膜。在这种情况下,即使这个电绝缘壁的表面是弯曲的,也会在电极和电绝缘壁之间获得良好的附着强度。除此以外,能够很容易地在具有复杂形状的传感器机壳上形成电极,更进一步,即使要在电绝缘壁的内表面上形成多个下面将描述的肋条,仍然有可能很容易地形成所需要的电极形状,换句话说,可通过一个插入成型(insert molding)或金属焊接形成电极。
对于上述湿度传感器,最好是在传感器机壳的底壁的内表面上形成一个凹形部分,在与这个凹形部分相对的位置上,在底壁外表面上形成一个凸形部分,这个凹形部分的底部表面就是绝缘壁的内表面,凸形部分的顶部表面就是绝缘壁的外表面。在这种情况下,例如,当本发明的湿度传感器安装在垃圾处理设备的垃圾容器上的时候,只有凸形部分的顶部表面暴露在垃圾容器的内部。所以,有可能最大限度地减少湿度传感器与放在垃圾容器中的垃圾接触的面积。除此以外,既然湿度传感器被这样安装在垃圾容器上,使得凸形部分的顶部表面与垃圾容器的内表面齐平,就有可能避免垃圾容器中垃圾的搅拌运动受到阻碍这种情况出现,也就是能够避免搅拌给湿度传感器施加过多的力这种情况出现。
对于上述的湿度传感器,最好是该对电极包括有一个中心开口的环形电极,和一个中心电极,其放置在环形电极的中心开口处,从而使中心电极的外圈与环形电极内圈之间相隔一个恒定的距离。特别是,该对电极最好是包括:一个环形电极,其有一个环形中心开口;和一个圆形的中心电极,并且该环形电极以同心圆的方式与中心电极同心,从而使中心电极的外圈与环形电极的内圈之间相隔一个恒定的距离。或者,该对电极最好是包括一个环形电极,其具有一个矩形的中心开口,还包括一个中心电极,其形状是矩形,被放置在环形电极的中心开口处,从而使中心电极的外圈与环形电极的内圈之间相隔一个恒定的距离。在这些情况中,由于电极之间的距离在中心电极的整个四周上都是恒定的,所以有可能在相应的电极上获得同样的电力线密度,从而通过减少杂散电容,进一步精确地检测含水量。
对于上述的湿度传感器,最好是传感器机壳有多个第一肋条,其在凹型电绝缘壁的内表面伸出,并沿着电极之间形成的电场的方向延伸。换句话说,最好是传感器机壳上有多个第一肋条,在凹型电绝缘壁的内表面上伸出,从中心电极的中心沿着径向延伸。另外,这个传感器机壳最好至少有一个第二肋条,在凹型电绝缘壁的内表面上伸出,从而使第二肋条的延伸方向基本上与电极之间形成的电场的方向垂直。换句话说,这个传感器机壳最好是至少有一个第二肋条,在凹型电绝缘壁的内表面伸出,其用与中心电极同心的方式延伸。在这些情形中,通过形成第一肋条,其从中心电极的中心径向延伸,并形成第二肋条,其在与中心电极同心的方向上延伸,从而可以防止出现非均匀的电场分布。除此以外,还能够改善电绝缘壁的机械强度,更进一步,当在它们之间焊接上一条引线,使电极与安装控制单元的电子元件的印刷电路板连接的时候,这些肋条能够用作阻挡层,防止焊料流动。这些肋条还可以用作引导装置,帮助电极的定位。
对于上述的湿度传感器,最好是环形电极的宽度基本上等于中心电极的宽度,在这种情况下,由于从一个电极提供的电力线的量等于从另外一个电极提供的电力线的量,因此有可能减少杂散电容的影响。
对于上述的湿度传感器,最好是其中的电路单元包括一个信号处理装置,用于通过将输出电路提供的对应于含水量的电信号的变化与一个预先确定的值进行比较,检测异常的状态。在这种情况下,有可能在应该检测其含水量的空间内检测到这种异常状态的出现,给用户一个报警信号。
对于上述的湿度传感器,最好是每个电极的暴露表面都镀上一层电绝缘材料。另外,在传感器机壳凹形底部形成该对电极以后,最好是用电绝缘材料填满这个凹形部分,可用于防止由于冷凝造成电极之间的短路这种情形出现。
另外,上述的湿度传感器最好是包括一个屏蔽盒,其有一个底板,底板上有一个小孔,还有一个侧壁,该侧壁从底板的四周向上伸出,放在传感器机壳内,从而使传感器机壳的凹形部分通过这个小孔露出在屏蔽盒的内部,该屏蔽盒与电容检测电路的电压零点连接。特别是,上述的湿度传感器最好包括屏蔽罩,其放置在传感器机壳内,安装电路单元的电子元件的印刷电路板封装在屏蔽盒和屏蔽罩之间。利用这个屏蔽盒和屏蔽罩,将来自外界的电波屏蔽掉,从而防止湿度传感器发生误操作。另外,既然能够防止从湿度传感器泄漏出来的电波,就有可能避免对外界电器造成的不良影响
除此以外,上述的湿度传感器最好是包括一个电波屏蔽层,该电波屏蔽层是通过在传感器机壳的内表面但不是凹形部分镀上金属材料形成的,该屏蔽层与电容检测电路的电压零点连接。特别是,电极和安装电路单元的电子元件的印刷电路板之间的电连接,以及电波屏蔽层与印刷电路板之间的电连接都是通过电镀上去的金属膜来实现的。在这些情形中,在传感器机壳上镀上金属材料形成电极的时候,有可能为电波屏蔽层和电连接同时形成金属膜。所以,这种湿度传感器的生产成本能够显著地降低。
生产上述的湿度传感器的一种最佳方法包括的步骤是:将合成树脂材料塑造以获得传感器机壳的步骤;在传感器机壳上镀上一层金属材料形成金属膜的步骤;以及从传感器机壳上有选择地去掉金属膜形成这一对电极的步骤。按照这一方法,有可能同时形成电波屏蔽层、用于电连接的金属膜以及传感器机壳上的电极。
通过下面对本发明的最佳实施方案的详细描述,同时参考以下附图,本发明的这些目的和优点以及其它目的和优点将会一目了然。
附图说明
图1A和1B分别是本发明一个最佳实施方案中电容类型湿度传感器的一个分解透视图和一个剖面图;
图2A-2D分别是仰视图、侧视图、侧视剖面图和沿着图2A中湿度传感器的传感器机壳上的线P-P切开的剖面图;
图3A和3B分别是具有电极的传感器机壳的仰视图和侧视剖面图,图3C和3D是说明电极之间电场的原理图;
图4是湿度传感器的电路图;
图5是说明湿度传感器电容检测电路锁相环电路细节的电路图;
图6是说明电路单元中电容CE的一个电路图;
图7是与垃圾处理设备的垃圾容器连接的湿度传感器的部分剖面图;
图8说明含水量随时间的变化;和
图8B说明图8A的情形中信号处理装置的操作;
图9A和9B是具有电波屏蔽层的传感器机壳的仰视图;
图10是用于试验中,具有电极的传感器机壳的一个透视图;
图11说明试验结果;
图12A和12B是说明湿度传感器最佳电极排列的一个原理图;
图13说明电极布局的改进;
图14是本发明中具有屏蔽盒的电容类型湿度传感器的一个剖面图;
图15是传感器机壳的一个改进的仰视图;
图16A和16B是说明传感器机壳的进一步改进的剖面图;
图17A和17B是传感器机壳另一个改进的一个仰视图和一个剖面图;
图18A和18B是具有焊料连接部分的传感器机壳的部分仰视图和剖面图;
图19是本发明另外一个最佳实施方案中电容类型湿度传感器的一个剖面图;
图20是图19的湿度传感器的一个电路图;
图21A和21B是传统电容类型湿度传感器的一个原理图;和
图22是图示说明含水量和电容(Cx)之间的关系。
具体实施方式
下面按照本发明的最佳实施方案详细地描述本发明中电容类型的湿度传感器。
如图1A和1B所示,这种湿度传感器1包括一个传感器机壳2,安装在传感器机壳内的一对电极30和35,一个印刷电路板3、其安装有后面要描述的电路单元的电子元件(没有画出),一个屏蔽罩5、一个衬垫6和一个导电盖7,其通过衬垫6与传感器机壳的顶部开口连接,并用导电材料制作。
如图2A-2D所示,传感器机壳2具有:一个基本上是正方形的底板10、在垂直方向上从底板的四周向上伸出的侧壁11和一顶部开口。在底板10的内表面形成了一个圆形的凹形部分14。圆形凹形部分的底部是一个电绝缘板15。另外,在底板10的外表面上与凹形部分14相对的地方有一个圆形的凸形部分13。因此,凹形部分14的底部表面是电绝缘板15的内表面,凸形部分13的顶部表面是电绝缘板的外表面。电绝缘板15的外表面面对要检测其含水量的空间。传感器机壳2可以用一种电绝缘材料制作,比方说用合成树脂制作。在这种情况下,可以采用聚碳酸脂、聚丙烯、聚丙烯硫化物之类的材料。另外,电绝缘板15的厚度最好是在0.1毫米到5毫米之间。
如图3A和3B所示,传感器机壳2有多个第一肋(first ribs)16,在凹形部分中电绝缘板内表面上伸出,其从凹形部分14的电绝缘板15的中心沿着径向延伸,还有多个第二肋17a-17d,在电绝缘板的内表面上伸出,以电绝缘板15的中心为中心以同心圆方式延伸。换句话说,如图3C和3D所示,第一肋16沿着电极30、35之间形成的电场的方向延伸。第二肋17a-17d这样来延伸,使得第二肋的延伸方向基本上垂直于电场的方向。在这个实施方案中,在电极30中心周围每30度总共形成12条第一肋。另外,有4条具有不同直径的第二肋17a-17d相对于电极30以同心圆的方式形成。
在这个实施方案中,这一对电极30、35安装在凹形部分中电绝缘板15的内表面上。这些电极包括一环形电极35,其具有一个环形的中心开口36,还有一个中心电极30,其形状是圆形的。环形电极35相对于中心电极30以同心圆方式排列,从而使中心电极的外圈与环形电极的内圈相隔一个恒定的距离d1。也就是说,如图3A和3B所示,中心电极30位于具有最小直径的第二肋17a包围的一个区域中。通过镀上一层金属膜,环形电极35可以在相邻第二肋17c和17d之间的整个区域内形成。环形电极35的宽度最好是基本上等于中心电极30的宽度。
将电极之间形成的电场用作湿度检测区域。最好是通过金属电镀在电极上形成另外一层金属,以提高这些电极的抗腐蚀能力。另外,在电极的连线操作完成以后,最好是在凹形部分填充电绝缘材料65,防止传感器机壳上发生冷凝的时候电极之间发生短路这种情况出现。至于电绝缘材料,可以采用硅橡胶或者环氧树脂。
作为一个实例,可以通过镀上一层金属,比如铝或者铜,在传感器机壳上形成一层金属膜,然后按照需要的图样,从传感器机壳上去掉金属膜,从而形成这些电极。
如图4所示,这个电路单元包括一个电容检测电路40,用于检测电极30和35之间的电容值Cx,它随着湿度传感区域的含水量不同而变化;还包括输出电路42,用于根据电容检测电路检测到的电容值,提供对应于含水量的一个电信号,例如一个电压信号;还包括电源44,用于给检测电路、输出电路提供电源;还有一个电容器CE,其连接在湿度传感器电路的电压零点(zero-voltage point)(α)和地(β)之间,用于确定它们之间的阻抗。
图5给出了电容检测电路40的一个实施例。在这个实施例中,电容检测电路4Q包括一个PLL(锁相环)电路50;还有一个振荡电路52,用于根据电容值Cx确定振荡频率,而Cx随湿度检测区域内的含水量不同而发生变化。由相位比较器54、低通滤波器55和VCO(压控振荡器)58组成的锁相环电路50将振荡频率的变化转换成电压变化,从而获得一个电压。按照这一电压的变化,输出电路42提供一个电压信号,其对应于湿度检测区域内的含水量。也就是说,当湿度检测区域内的含水量增加(或者减少)的时候,振荡电路的振荡频率就下降(或者增加)。在锁相环电路50中,允许压控振荡器58的频率跟随振荡电路的振荡频率的时候,低通滤波器的输出电压随着含水量的变化而发生改变。输出电路42输出对应于含水量的输出电压信号。
输出电压通过具有连接器64的电缆62传送给控制单元60。因此,从控制单元60通过电缆62向电源44提供电力,输出电路42的输出信号通过电缆发送给控制单元60。
由于振荡电路在例如几十兆赫兹到几百兆赫兹的范围内振荡,所以电流消耗增加。由于这一原因,电源上需要一个热辐射板。将屏蔽罩5用作热辐射板,可以减少元件数量,缩小湿度传感器的尺寸。
湿度传感器电路的电压零点(α)与地(β)之间没有电性连接。当垃圾容器是用导电材料做成的时候,它以一定的阻抗值与地连接,因此,在电压零点(α)和地(β)之间有一定的阻抗。由于湿度传感器的特性受到这一阻抗值的影响,所以将一个电容器CE连接在电压零点(α)和地(β)之间,从而使它比这一阻抗值足够小。电容器CE是用于确定地(β)和电压零点(α)之间阻抗值的一种电子元件。该电容器能被插入,如图6所示,在这个图中,“Z1”和“Z2”指定为振荡电路52的阻抗装置。“AP”被指定为一振荡电路的装置,其用于确定具有参考电容值Cx的振荡频率,例如,当湿度传感器与垃圾处理装置的垃圾容器的墙壁表面接触的时候,在墙壁表面和环形电极之间形成杂散电容C1。
由于杂散电容C1随着湿度检测区域内含水量的不同而变化,因此有可能导致电容检测电路40发生误操作。不管含水量是多少的时候,如果C1和CE之间维持关系C1>>CE,就有可能通过在环形电极和墙壁表面(地)保持恒定的耦合电容,而防止误操作。为了获得较大的杂散电容值C1,最好是使垃圾容器的墙壁和环形电极之间保持较小的距离。例如,如图7所示,环形电极的外径L1是90毫米,与环形电极同心的圆形凹形部分14的直径L2是110毫米,垃圾容器的墙壁表面和环形电极之间的距离是大约10毫米,就可以获得很大的杂散电容。
这个电路单元最好也包括一个信号处理装置,用于根据输出电路提供的电信号的幅度,检测含水量大于预先确定的上限值的异常状态。另外,根据输出电路提供的电信号的幅度,该信号处理单元还能检测含水量小于预先确定的下限值的异常状态。在这个实施例中,输出电路有一个比较器,用作信号处理装置,在这个比较器中,将输出电路输出的,例如电压信号,与说明含水量高于上限值的第一个标准值VH进行比较,还与说明含水量低于下限值的第二个标准值VL进行比较。当电压信号大于第一个标准值VH或者小于第二个标准值VL的时候,如图8A和8B所示,这个比较器提供一个输出信号,告诉控制单元60出现了异常状态。根据这一输出,垃圾处理设备可以对这一异常状态进行某种处理。
在这个实施例中,通过在传感器机壳2的内表面而不是凹形部分14上镀上一层金属材料,形成一个电波屏蔽层4。在这种情形中,其具有能够降低电波屏蔽装置的生产成本,缩小传感器机壳的尺寸的优点。屏蔽层4与电容检测电路40的电压零点连接。此外,电极30、35和安装这个电路单元的电子元件的印刷电路板3之间的电连接,以及屏蔽层4与印刷电路板之间的电连接最好都是利用镀上的金属膜来实现的。例如,如同9A、9B所示,可以在传感器机壳2方形底板10的四个角落上形成四个支柱18,每个支柱的顶部都有一个螺丝孔,用于支撑电路板3。在这些支柱之一的顶部表面上镀上金属膜,并延伸到屏蔽层上。用螺丝将印刷电路板3固定到传感器机壳2上的时候,湿度传感器电路的电压零点(α)就能通过支柱18上的金属膜与屏蔽层4连接。这样,通过电镀方法在传感器机壳2上同时形成屏蔽层4和电极30的时候,可以显著地降低湿度传感器的生产成本。
作为上述的湿度传感器的一种改进,可以在这样一个高度上形成具有金属膜的一个支柱,使得这个支柱的顶部表面穿过形成在印刷电路板的一个通孔。在这种情况下,这个印刷电路板用螺丝拧在另外三个支柱上。从支柱的顶部表面向屏蔽层延伸的金属薄膜用于连接湿度传感器的电路的电压零点(α)和屏蔽层。
屏蔽罩5与印刷电路板连接,该屏蔽罩5可用于防止印刷电路板遭受高频区(几十兆赫兹到几百兆赫兹)的电波干扰,同时防止电波从印刷电路板向外界发射,包括其它电器的误操作。因此,印刷电路板3安装在屏蔽罩5和屏蔽层4之间的一个空间内,将印刷电路板与电波屏蔽开。例如,电极30、35通过引线与印刷电路板3的需要的位置连接。另外,导电罩7与传感器机壳2的顶部开口连接。导电罩7通过引线和电容与湿度传感器的电路的电压零点(α)连接。
下面描述利用本发明中电容类型传感器的垃圾处理设备。检测垃圾容器中的含水量对于有效地促进垃圾处理设备中垃圾的分解和发酵非常重要。在垃圾处理设备中使用本发明的湿度传感器的时候,可以在垃圾容器的很大范围内直接检测含水量。
例如,这一垃圾处理设备包括盛放垃圾和生物碎片(Biochip)的垃圾容器、用于将垃圾与生物碎片混合的搅拌臂以及催化剂除臭装置。利用螺栓或者螺母这样的固定装置,本发明的湿度传感器可以贴在垃圾容器的墙壁表面上,从而使电绝缘板15的外表面与垃圾容器100的内表面102齐平,如图7所示。所以,传感器机壳2最好是这样,使垃圾容器的墙壁厚度基本上等于凸形部分13的凸出高度。另外,为了很容易地将湿度传感器贴在垃圾容器上,最好是在传感器机壳或者垃圾容器的外表面上形成一个导向凸起部分。
由于湿度传感器的电绝缘板15没有伸向垃圾容器的内部,所以能够防止垃圾容器中搅拌垃圾的操作受到阻挡这样的情况发生。另外,不管是哪种垃圾,例如剩米饭、谷类、茶叶、烟叶、湿废品、木头片、土或者混凝土的细垃圾,都能够精确地检测垃圾容器中静止状态或者被搅动状态的垃圾的含水量。
在本发明中,由于环形电极的内圈与中心电极的外圈之间的距离保持恒定,所以能够减少电力线的泄漏。这样,就有可能减少中心电极和垃圾容器之间杂散电容的影响。另外,由于中心电极的宽度,也就是中心电极的直径,等于环形电极的宽度,因此这两个电极都会产生同样多的电力线,这会进一步地减少杂散电容,结果,就有可能高精度地检测含水量。
如上所述,这种垃圾处理设备能处理垃圾容器中存在生物碎片的情形下的垃圾。由于生物碎片包含水分,所以为了精确地检测垃圾容器中的含水量,需要考虑生物碎片中的含水量。例如,仅当垃圾占据电极之间的湿度检测区域的时候,输出电路可能提供只对应于垃圾中的含水量的电信号。在这种情况下,会降低含水量的检测精度。
为了进一步提高该湿度传感器的检测精度,本发明人发现当放进垃圾容器中的垃圾的平均尺寸在15到20毫米的时候,可以避免只有垃圾占据湿度检测区域的这种不需要的情形发生。另外,适当的电极尺寸和电极之间合适的距离是根据下面的试验确定的。
这个试验是利用图10所示容器104和三种电极对30、35做的:第一对电极是由铜箔做成的,每一个电极的厚度为0.1毫米、长度为115毫米、宽度为24毫米,且其之间具有2毫米的距离并互相平行排列;第二对电极互相平行,它们之间的距离是30毫米,每一个电极都是用厚度是0.1毫米、长度是115毫米、宽度是10毫米的铜箔组成的。第三对电极互相平行,它们之间的距离是20毫米,它们是用厚度是0.1毫米、长度是115毫米、宽度是5毫米和25毫米的铜箔做成的。容器104采用了电绝缘的合成树脂盒,其包括一个方形底板,它的大小是115毫米,厚度是1毫米,侧壁从底板的四周伸出的高度为40毫米,还包括一个顶部开孔,每一对电极都贴在合成树脂盒底板的外表面上。
稍后,将水放进合成树脂盒中,从而获得需要的水位,对于第一对到第三对电极中的每一对,都在三个不同的水位,也就是5毫米、10毫米和25毫米的情况下测量电极之间的电容值,结果在图11中给出,在这个图中,水平轴表示合成树脂盒中水的深度,垂直轴表示测量出来的电容值。“G1”指定为利用第一对电极测量出来的电容值,“G2”指定为利用第二对电极测量出来的电容值,“G3”指定为利用第三对电极测量出来的电容值。
如图12A所示,在垂直于电绝缘板的方向上,从电极算起,湿度检测区域有一个临界高度DH,电容值在这个湿度检测区域的临界高度或者在更小高度的范围内变化,换句话说,在湿度检测区域以外,电容值很少发生变化,不管水的高度有多高。从图11可以看出,已经发现这个临界高度DH等于平行放置的电极外侧之间的距离DL的大约一半。例如,在使用第一对电极的情况中,电极外侧之间的距离DL是50毫米(=24+2+24),而临界高度DH则是大约25毫米。
因此,在使用具有图1所示湿度传感器的垃圾处理设备的情形中,可以确定电极的宽度和电极之间的距离,如下所述,以避免只有垃圾占据湿度检测区域的这种情况发生。
也就是说,如图12B所示,中心电极30的直径是d0,环形电极35的宽度是d2,中心电极外圈和环形电极内圈之间的距离是d1,环形电极的内外直径分别由d0+(d1*2)和d0+(d1*2)+(d2*2)给出。另外,总距离(DL)为d0、d1和d2的和,其最好是等于临界高度DH的两倍或者更大。利用满足这一条件的电极排列,可以更进一步地提高垃圾处理设备中使用的湿度传感器的检测精度。
在使用中心矩形电极和矩形环电极的电极布局的情形中,也能获得以上条件,也就是说,如图13所示,这些电极可以由具有矩形中心开口的环形电极和具有矩形形状的中心电极构成,在这种情况下,中心电极放在环形电极的开口中心,从而使中心电极的外圈与环形电极的内圈相隔一个恒定的距离。
下面是本发明中电容类型湿度传感器的改进。
作为上述的湿度传感器的一种改进,如图14所示,最好是将一个屏蔽盒70放在传感器机壳2中替代屏蔽层4,在这种情况下,屏蔽盒70包括一个底板74,其具有一个孔72,还有从底板的周围向上伸出的侧壁76,其放在传感器机壳2里边,从而使凹形部分14通过这个孔72与屏蔽盒的内部连通,屏蔽盒70与电容检测电路40的电压零点连接。
作为上述的湿度传感器的另外一种改进,只在电绝缘板15的内表面上形成第一肋,类似地,在电绝缘板内表面只形成第二肋,例如,如图15所示,在第二肋17c和17d之间的区域内不形成任何第一肋16。
另外,作为这个湿度传感器的一种改进,在形成中心电极30的第一个电极区域和形成环形电极35的第二个电极区域之间可以形成至少一个台阶。例如,图16A所示的传感器机壳2有一个中心级19,从而使第一个电极区的位置比第二个电极区的位置要高一些。
另外,当垃圾处理设备的垃圾容器100有一个弯曲的壁面102的时候,最好是使用这样一个传感器机壳2,它的电绝缘壁15的表面是弯曲的,如图16B所示,在这种情况下,湿度传感器贴在垃圾处理设备上,从而使电绝缘壁的弯曲表面与垃圾容器100的弯曲表面齐平。
有许多方法将引线与电极连接起来,例如,如图17A和17B所示,可以在每一个中心电极30和环形电极35上面形成具有L形状断面的一个端子80。在这种情况下,能够很容易地在印刷电路板3和那些电极之间进行可靠的电连接。或者,如图18A和18B所示,在与第二肋17d相邻的需要的位置上形成焊料结合部分90的时候,可以用相对较少量的焊料94将引线92与电极可靠地连接起来,同时防止焊料泄漏到焊料结合部分的外面去。
作为上面描述的湿度传感器的另一种改进,当垃圾处理设备的垃圾容器是用金属材料做成的时候,这个垃圾容器就可以作为电极之一。也就是说,如图19所示,在传感器机壳2电绝缘板15的内表面的中心形成的一个电极30,金属材料的垃圾容器100提供第二个电极,它与第一个电极一起确定了湿度检测区域。在这个湿度传感器的电路单元中,垃圾容器100与地β连接,如图20所示,这个电路单元的其它元件基本上与图4中的一样。
Claims (23)
1.一种电容类型的湿度传感器,其包括:
一个具有电绝缘壁的传感器机壳,所述的电绝缘壁的外表面面对要检测其含水量的空间;
一对电极,其放置在所述传感器的机壳上,它们中的至少一个电极形成在所述电绝缘壁的内表面上,在所述电极之间形成的电场被用作湿度检测区域;和
一电路单元,其包括一个电容检测电路,用于检测所述电极之间的电容值,该电容值随着所述湿度检测区域内的含水量不同而变化,还有一个输出电路,用于根据所述电容检测电路检测到的电容值提供对应于含水量的电信号。
2.如权利要求1所述的电容类型的湿度传感器,其中所述的至少一个电极是镀在所述电绝缘壁内表面上的金属膜。
3.如权利要求1所述的电容类型的湿度传感器,其中所述的传感器机壳在它的底板内表面有一个凹形部分,在底板外表面与所述凹形部分相对的位置上有一个凸形部分,其中所述凹形部分的底部表面是所述电绝缘壁的内表面,所述凹形部分的顶部表面是所述电绝缘壁的外表面。
4.如权利要求1所述的电容类型的湿度传感器,其中所述的电极对包括一个具有一个中心开口的环形电极和一个中心电极,所述中心电极放在所述环形电极的中心开口中,从而使所述中心电极的外圈与所述环形电极的内圈相隔一段恒定的距离。
5.如权利要求1所述的电容类型的湿度传感器,其中所述的电极对包括一个环形电极,其具有一个环形的中心开口,还有一个圆形的中心电极,其中所述的环形电极以同心圆的方式与所述中心电极同心,从而使所述中心电极的外圈与所述环形电极的内圈相隔一个恒定的距离。
6.如权利要求1所述的电容类型的湿度传感器,其中所述的电极对包括一个环形电极,其具有一个矩形中心开口,还有一个矩形状的中心电极,其放置在所述环形电极的中心开口处,从而使所述中心电极的外圈与所述环形电极的内圈相隔一个恒定的距离。
7.如权利要求4所述的电容类型的湿度传感器,其中所述的传感器机壳有多个第一肋,其在所述电绝缘壁的内表面伸出,从所述中心电极的中心沿着径向延伸。
8.如权利要求4所述的电容类型的湿度传感器,其中所述的传感器机壳至少有一个第二肋,其在所述电绝缘壁的内表面上伸出,相对于所述中心电极以同心的方式延伸。
9.如权利要求3所述的电容类型的湿度传感器,其中所述的传感器机壳有多个第一肋,其在所述电绝缘壁的内表面上伸出,基本上是在所述电极之间形成的电场的方向上延伸。
10.如权利要求3所述的电容类型的湿度传感器,其中所述的传感器机壳至少有一个第二肋,其在所述电绝缘壁的内表面上伸出,从而使所述第二肋的延伸方向基本上垂直于所述电极之间形成的电场的方向。
11.如权利要求4所述的电容类型的湿度传感器,其中所述的环形电极的宽度基本上等于所述中心电极的宽度。
12.如权利要求1所述的电容类型的湿度传感器,其中所述的电路单元包括一个信号处理装置,用于检测异常的状态,其通过将输出电路提供的对应于含水量的电信号的变化与一个预先确定的值进行比较。
13.如权利要求1所述的电容类型的湿度传感器,其中所述的每个电极暴露的表面都镀上一层电绝缘材料。
14.如权利要求3所述的电容类型的湿度传感器,其包括一个屏蔽盒,其有一个底板,底板上有一个孔,还有从所述底板的四周向上伸出的侧壁,其被放置在所述传感器机壳中,从而使所述传感器机壳凹形部分通过所述小孔露出在所述屏蔽盒的内部,其中所述的屏蔽盒与所述电容检测电路的电压零点连接。
15.如权利要求14所述的电容类型的湿度传感器,其包括一个屏蔽罩,其放在所述传感器机壳中,其中安装所述电路单元的电子元件的印刷电路板封装在所述屏蔽盒和所述屏蔽罩之间。
16.如权利要求2所述的电容类型的湿度传感器,其包括一个额外的金属层,其通过金属电镀方式形成在所述金属膜上。
17.如权利要求3所述的电容类型的湿度传感器,其中所述的电极对是形成在所述凹形部分的底部,然后将一种电绝缘材料填充在所述凹形部分中。
18.如权利要求3所述的电容类型的湿度传感器,其包括一个电波屏蔽层,其通过在所述传感器机壳而不是所述凹形部分的内表面上镀上金属材料形成的,并且其中所述的屏蔽层与所述电容检测电路的电压零点连接。
19.如权利要求18所述的电容类型的湿度传感器,其中所述电极和安装所述电路单元的电子元件的印刷电路板之间的电性连接,以及所述电波屏蔽层和所述电路板之间的电性连接,是利用电镀上去的金属膜实现的。
20.如权利要求1所述的电容类型的湿度传感器,其中所述的至少一个电极是通过插入成型的方式在所述电绝缘壁的内表面上形成一个金属膜。
21.如权利要求1所述的电容类型的湿度传感器,其中所述的至少一个电极是焊接在所述电绝缘壁的内表面上的一层金属膜。
22.一种如权利要求1所述的电容类型的湿度传感器的生产方法,包括以下步骤:
用合成树脂材料塑造成所述传感器机壳;
在所述传感器机壳上镀上金属材料形成金属膜;和
从所述传感器机壳上有选择地去掉所述金属膜,获得所述电极对。
23.一种利用如权利要求1所述的电容类型的湿度传感器的垃圾处理设备,其包括一垃圾容器和在所述垃圾容器中用于搅拌垃圾的搅拌器,其中所述的电容类型的湿度传感器附着在所述垃圾容器上,以使其所述的电绝缘壁的外表面与垃圾容器的内表面齐平。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20041110 |